고전압 미드니켈에 대한 이해 (LFP의 대항마)

안녕하세요. 공대생P입니다. 이번 포스팅에서는 '고전압 미드니켈' 기술에 대한 이해와 왜 이 기술을 적용하려 하는지에 대해 설명하는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

 

 

1. 현재 배터리 시장 상황

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현재 배터리 시장은 CATL을 필두로 중국 업체들이 선전하고 있는 상황입니다. 그 이유는 중국 업체들의 주력 배터리는 LFP 양극재를 사용하기 때문인데요. NCM양극재를 주요 물질로 사용하는 국내 배터리 3사와 달리 LFP 양극재는 가격이 매우 싸기 때문에 배터리 제조 시 단가 경쟁력이 매우 높습니다. 

2023-2024 연간 누적 전기차 배터리 사용량 비교 (출처 : SNE리서치)

이에 따라 상대적으로 에너지밀도는 높지만 가격이 비싼 NCM양극재를 사용하는 대한민국이 차지하는 전체적인 점유율은 상대적으로 하락하고 있는 추세입니다. 미국과 유럽이 중국업체들에 규제를 가한다고 하여도 중국은 매년 무섭게 성장해오고 있습니다. 

 

 

 

2. 하이니켈->미드니켈의 필요성

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전기차 시장에서 배터리의 주요 성능은 에너지밀도입니다. 에너지밀도를 높이기 위해 국내 업체들은 배터리 용량에 기여하는 니켈의 함량을 80%이상 끌어올린 '하이니켈' 양극재를 주로 사용하였습니다. 

리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류

리튬이온배터리 NCM 양극재(Cathode)에 대한 이해와 양극재 종류

하지만 니켈을 많이 사용함에 따른 양극재의 부작용이 발생하는데요. 안전성입니다. 니켈 함량이 높아지면, 양극재의 내구성이 떨어지는 단점이 있습니다. 

니켈 함량 (x 값)에 따른 양극재 분해 온도 비교 (출처 : https://www.aotbattery.com/new/Improve-The-Safety-of-NCM-Battery-Material.html)

위 그래프는 니켈함량을 달리한 양극재를 4.3V까지 충전시킨 후, DSC분석을 통해 양극재의 분해 온도를 분석한 결과입니다. NCM 양극재의 니켈 함량이 높아짐에 따라 분해온도가 낮아지는 것을 알 수 있습니다. 또한 추가적으로 양극재가 분해되면서 양극재 소재를 구성하는 산소가 가스화되어 열폭주의 근간이 되는 문제점을 갖고 있습니다. 

 

양극재 잔류리튬 (출처 : 10.1039/D1RA08401A)

이러한 하이니켈 양극재는 전구체 합성 시, 잔류 리튬 (LiOH, Li2CO3)가 많이 발생하는 문제가 있습니다. 이러한 잔류리튬은 충방전시 가스(Gas)를 생성하게 되고, 전해액과 부반응을 통해 셀 성능을 저하시키는 원인이 됩니다. 때문에 수세공정이 필수적으로 들어가게 되어 양극재의 단가가 증가할 수밖에 없습니다.

 

 

 

3. 왜 고전압 미드니켈을 사용해야하는가?

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미드니켈 (Mid-nickel) 양극재는 니켈의 양을 중간정도로 줄인 양극재를 의미합니다. 각 회사마다 조성이 다르겠지만 통상적으로 NCM622, NCM532 등의 양극재를 의미합니다. 여기서 우리는 의문이 생길 수밖에 없습니다. 배터리는 에너지밀도가 생명인데 용량을 담당하는 니켈을 함량이 줄어들면 에너지밀도가 감소하는 것 아닌가?라고 생각할 수 있습니다. 

 

그에 대한 해답이 바로 전압을 증가시키는 것입니다. 에너지밀도=용량 X 전압의 수식으로 표현됩니다. 고전압 미드니켈 양극재는 전압을 상승시켜 에너지밀도를 상승시키고, 양극재 내부의 잔여 리튬을 더 끌어와서 용량을 늘리는 것입니다. 좀 더 자세한 이해를 위해 그렇다면 그래프를 통해 비교해 보도록 하겠습니다.  

전압구간에 따른 용량변화 비교 (출처 : doi.org/10.1021/acsaem.1c02334)

 

위 그래프는 미드 니켈 양극재인 NCM622의 전압구간에 따라 충전과 방전 용량을 비교한 것입니다.

그래프 (a), (b)는 3.0V-4.7V 구간에서의 충전(a), 방전(b) 곡선이며,

그래프 (c), (d)는 3.0V-4.3V 구간에서의 충전(c), 방전(d) 곡선을 나타내고 있습니다.

C-rate에 따라 용량이 조금씩 변화하긴 하지만, C/10 기준으로 비교해 보았을 때, 고전압 구간에서의 용량이 약 210mAh/g으로 더 높은 것을 알 수 있습니다. 또한 에너지밀도는 용량 X 전압의 수식을 갖기 때문에 방전그래프의 적분값과 동일합니다. 결과적으로 면적이 에너지밀도에 해당되기 때문에 에너지밀도 또한 증가하는 것을 알 수 있습니다.

 

 

위 그래프는 논문에 나와있는 자료이기 때문에 현실적으로 실험은 가능하나 매우 가혹한 전압조건이기에 상용화된 셀에 적용되기는 어렵습니다. 따라서 현실적으로 하이니켈 양극재와 실현가능한 전압을 기준으로 비교를 해보겠습니다. 

미드니켈 하이니켈 양극재 비교 (출처 : 아시아경제)

미드니켈에 전압을 4.35V로 적용할 경우, 하이니켈 양극재(4.2V)와 에너지밀도를 비교해 보았을 때, 동등우위 수준인 것을 알 수 있습니다. 결과적으로 고전압 미드니켈 (High-voltage Mid nickel) 양극재를 적용할 경우, 생산단가도 낮추면서 하이니켈 양극재에 비해 구조적으로 안전한 배터리를 생산할 수 있는 장점이 있습니다. 

 

따라서 해당 기술은 현재 국내 대기업에서 진행하고 있습니다. 고전압에서 셀을 용이하게 하는 것은 양극재도 중요하지만 전해액의 역할이 굉장히 크다고 개인적으로 생각합니다. 해당 기술이 완전 상용화되어 국내 배터리 시장이 더욱 활성화되길 기원합니다.